第十章-水泥攪拌樁復(fù)合地基

主要內(nèi)容

一、概述二、加固機理三、水泥土的工程特性四、水泥土攪拌樁地基的設(shè)計五、水泥土攪拌樁的施工工藝六、質(zhì)量檢驗10.1概述

水泥土深層攪拌法是利用水泥（或石灰）等材料作為固化劑。通過特制的深層攪拌施工機械，在地基深處將軟土和固化劑（漿液或粉體）強制攪拌，硬化后形成具有整體性、水穩(wěn)定和一定強度的水泥加固土，從面提高地基強度，增大其變形模量。根據(jù)施工方法的不同，水泥土深層攪拌法可分為水泥漿攪拌（濕法，攪拌樁）和粉體噴射攪拌（干法，粉噴樁）兩種。水泥漿攪拌法是在二次世界大戰(zhàn)后由美國研制成功的，稱為就地攪拌樁，樁徑0.3-0.4m，樁長10-12m。1953年日本從美國引進，并研究開發(fā)出了各種深層攪拌機械。1967年瑞典的KjeldPaus提出石灰攪拌樁加固軟土地基的設(shè)想，并于1971年在現(xiàn)場制成第一根石灰樁。日本在同一時期也開展了這項研究，以后陸續(xù)應(yīng)用于實際工程中，并形成了兩種施工方法。國內(nèi)從八十年代開始進行試驗研究，并在軟土地基加固工程中使用，取得了良好的效果。目前，水泥土深層攪拌法已經(jīng)在鐵路、公路、市政工程、港口碼頭、工業(yè)與民用建筑等軟土地基加固中得到了一定的推廣和使用。雙軸攪拌樁機的攪拌葉片水泥土攪拌樁

噴粉樁施工水?dāng)嚢璺庸誊浲恋鼗哂邢铝袃?yōu)點：

（1）固化劑與地基土就地攪拌混合。最大限度地利用了地基土（2）攪拌時地基土不會側(cè)向擠出，對原有建筑物影響很?。?/p>

（3）根據(jù)地基土的不同性質(zhì)和工程要求，可以合理選擇固化劑的類型及其配方，設(shè)計靈活；（4）施工過程中無振動、無污染、無噪音，可在市區(qū)內(nèi)和密集建筑群中施工；

（5）加固后土體的重度基本不變，軟弱下臥層不會產(chǎn)生附加沉降；（6）與鋼筋混凝土樁基相比，降低成本的幅度較大；（7）可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固型式。水泥攪拌樁適用性

1、國外：新吹填的超軟土、泥炭土和淤泥質(zhì)土等飽和軟土，深度達20-60m，從陸地到海底軟土都有．2、國內(nèi)

國內(nèi)適用的土質(zhì)范圍：水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、含水量較高且地基承載力不大于120kPa的粘性土和粉土，以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0％（黃土含水量小于25%）、大于70％或地下水的pH值小于4時不宜采用干法。

濕法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。

一般認為用水泥作加固料，對含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好；而對含有伊利石、氯化物和水鋁石英等礦物的粘性土以及有機質(zhì)含量高，pH值較低的粘性土加固效果較差。3.石灰固化劑石灰固化劑一般適用于粘土顆粒含量大于20%，粉粒及粘粒含量之和大于35%，粘土的塑性指數(shù)大于10，液件指數(shù)大于0.7，土的pH值為4～8，有機質(zhì)含量小于11%,土的天然含水量大于30%的偏酸性的土質(zhì)加固。10.2加固機理1、水泥水解和水化反應(yīng)

水泥遇水后，其顆粒表面的礦物很快與水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物。其中前二種化合物溶于水，使水泥顆粒表面暴露出，再與水作用，逐漸使溶液達到飽和，新生成物便以膠體析出，懸浮于溶液形成凝膠體。2、離子交換和團粒化作用

粘土與水結(jié)合即表現(xiàn)膠體特征，如土中含量最多的二氧化硅與水形成硅酸膠體，其表面帶有Na+或K+，和水泥水化生成的氫氧化鈣中的Ca2+進行當(dāng)量吸附交換。使較小的土顆粒形成較大的土團粒，由于其產(chǎn)生了很大的比表面能，可使較大的土粒進一步聯(lián)合，形成水泥土團粒結(jié)構(gòu)，封閉各土團的空隙，形成堅固的聯(lián)結(jié)，從而使土體強度提高。3、硬凝反應(yīng)隨著水泥水化反應(yīng)的深入，深液中析出大量的Ca2+，當(dāng)其數(shù)量超過離子交換需要量后，則在堿性環(huán)境中，與組成粘土礦物的二氧化硅和三氧化二鋁的一部分或大部分進行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成了不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物，其在水中和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強度。4、碳酸化作用水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應(yīng)：生成不溶于水的碳酸鈣，能使水泥土的強度增長，但速度較慢，幅度較小。水泥和軟土攪拌越充分，混合越均勻，則水泥土強度的離散性越小，宏觀的總體強度也深層攪拌法施工工藝流程1定位2預(yù)攪拌下沉3噴漿攪拌上升4重復(fù)攪拌下沉5重復(fù)攪拌上升6完畢漿噴樁施工試驗后深層攪拌樁載荷粉噴樁施工

施工時，用帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預(yù)定深度后提升，噴嘴同時以一定的速度旋轉(zhuǎn)，高壓噴射氣流使固化漿液與土體混合并凝固硬化，粉噴樁法的施工機械按照注漿管的構(gòu)造不同分成:(1)單管法(2)雙重管法(3)三重管法(4)多重管法★粉噴法所形成的固結(jié)體的形狀與噴射流移動的范圍有關(guān)，根據(jù)噴射流移動范圍的大小可以分為旋轉(zhuǎn)噴射（簡稱旋噴）、定向噴射（簡稱定噴）和擺動噴射（簡稱擺噴）三種形式。三、水泥土的工程特性物理性質(zhì)1.重度

水泥土的重度僅比天然軟上重度增加0.5%～3.0%，也不會產(chǎn)生較大的附加沉降。

2.相對密度

由于水泥的相對密度為3.1，比一般軟土的相對密度2.65～2.75為大，故水泥土的相對密度比天然軟土的相對密度稍大。水泥土相對密度比天然軟土的相對密度增加0.7%～2.5%。3.含水量

水泥土的含水量一般比原狀土降低0.5～7%4.抗?jié)B性

：滲透系數(shù)K一般在10-7～10-8cm/s水泥土力學(xué)性質(zhì)1.無側(cè)限向抗壓強度

fcu=（0.3-4）MPa比天然地基土大幾十倍甚至數(shù)百倍。外力達到極限強度70%-80%時，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈非線性。外力達到極限強度時，強度大于2MPa的水泥土脆性破壞；強度小2MPa的水泥土塑性破壞（A5、A10、A15)；齡期90d不同參入比水泥土無側(cè)限抗壓強度2.抗拉強度

隨無側(cè)限抗壓強度而提高,但非正比關(guān)系。葉觀寶公式：

（fcu=(0.5-3.5)MPa)3.抗剪強度水泥土抗剪強度隨其抗壓強度的增加而提高,破壞面與大主應(yīng)力面夾角約為600Φ=20°—30°(fcu=0.3-1.3MPa)對于荷載不大的工程，采用直剪快剪指標(biāo)進行設(shè)計。4、變形模量E50變形模量定義：垂直應(yīng)力達到50%無側(cè)限抗壓強度時應(yīng)力與應(yīng)變之比。實驗表明，E50與無側(cè)限抗壓強度fcu近似呈正比關(guān)系

E50=126fcu5、壓縮系數(shù)和壓縮模量水泥土的壓縮系數(shù)為（2.0-3.0）×10-3kPa.水泥土的壓縮模量為（600-100）MPa，

水泥土強度影響因素分析

影響因素主要有：1.水泥摻入比2.水泥標(biāo)號3.齡期4.含水量5.有機質(zhì)含量6.外摻劑7.養(yǎng)護條件等1、水泥參入比aw水泥土強度隨參入比增加而增大。水泥參入比必須大于10%

（aw=5%-6%）fcu1：參入比aw1時無側(cè)限抗壓強度。fcu2：參入比aw2時無側(cè)限抗壓強度。水泥土強度隨齡期增加而增大。一般超過28天后仍有明顯增長。水泥土選用3個月齡期強度作為水泥土的標(biāo)準(zhǔn)強度。2、齡期影響fcu7=(0.47~0.63)fcu28fcu14=(0.62~0.8)fcu28

fcu60=(1.15~1.46)fcu28fcu90=(1.43~1.8)fcu28fcu90=(2.37~3.37)fcu73、水泥標(biāo)號對強度影響水泥土強度隨水泥標(biāo)號提高而增大。一般來說，水泥標(biāo)號提高100號，強度fcu增大50%-90%.4、土樣含水量對強度影響水泥土無側(cè)限抗壓強度隨土樣含水量降低而增大，一般情況下，含水量每降低10%，強度增加10%-50%。5、土中有機質(zhì)含量對強度影響有機質(zhì)使土體具有較高水溶性、塑性、膨脹性和較低的滲透性，并使土具酸性，阻礙水泥水化反應(yīng)的進行。

有機質(zhì)含量高的軟土，用水泥加固效果較差。Ⅰ有機質(zhì)含量1.3%Ⅱ有機質(zhì)含量10%

不同的外加劑對水泥土強度影響不同：石膏、三乙醇胺和氯化鈣都能提高水泥土早期強度，但只有三乙醇胺對后期強度有增強作用。6、外加劑影響7、養(yǎng)護方法對強度影響（1）養(yǎng)護方法對強度影響體現(xiàn)在養(yǎng)護環(huán)境的溫度和濕度上。（2）養(yǎng)護方法對短齡期水泥土強度影響很大，隨齡期增長；不同養(yǎng)護方法下水泥土強度趨于一致，不同養(yǎng)護溫度下無側(cè)限抗壓強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護溫度（200）強度比值隨時間增長趨于定值，說明溫度對后期強度影響較小。

溫度對水泥土強度影響從養(yǎng)護時取出至開始實驗時間間隔的影響（齡期14天）從養(yǎng)護時取出至開始實驗時間間隔對水泥土強度影響間隔時間長，強度高水泥土樁的破壞模式粉噴樁與漿噴樁的差異粉噴樁吸水，有利于地基密度提高，適合于含水量較高地層。漿噴法從漿液中帶進較多水分，對地基加固不利。粉噴樁初期強度高，漿噴樁初期強度低。粉噴法不宜攪拌均勻，漿噴法容易攪拌均勻。粉噴法施工中難以添加粉體添加劑，漿噴法只要將添加劑倒入攪拌池即可。漿噴法攪拌均勻，樁體下部較粉噴法質(zhì)量好。粉噴法輸入土中加固劑相對于漿噴法較少，工程造價較低。粉噴法較之漿噴法施工機械簡單，容易移位操作。10.4.1攪拌樁的設(shè)計1.對地質(zhì)勘察的要求特別重視：（1）土質(zhì)分析：有機質(zhì)含量，地下水中可溶鹽含量（2）水質(zhì)分析：地下水的酸堿度(pH值)，硫酸鹽含量2.地基加固范圍

攪拌樁是半剛性樁，在設(shè)計攪拌樁時，可僅在上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁，不必象柔性樁一樣在基礎(chǔ)以外設(shè)置保護樁。

10.4設(shè)計計算3.攪拌樁的平面布置型式設(shè)計

柱狀：攪拌樁。適用于單層工業(yè)廠房獨立基礎(chǔ)、多層房屋條形基礎(chǔ)下及路堤下的地基加固；(2)壁狀：攪拌樁部分重疊搭接成為壁狀加固型式。適用于深基坑的支護結(jié)構(gòu)、對不均勻沉降比較敏感的多層磚混結(jié)構(gòu)房屋條形基礎(chǔ)下的地基加固和防滲體施工。(3)塊狀：縱橫兩方向相鄰樁搭接而成的。上部結(jié)構(gòu)單位面積荷載大，對不均勻沉降控制嚴(yán)格的構(gòu)筑物地基進行加固時可以采用這種布置型式。10.4.2攪拌樁的設(shè)計計算一、柱狀加固（樁體加固）1、單樁豎向承載力計算：應(yīng)通過現(xiàn)場荷載實驗確定。初步設(shè)計時也可按下式估算：

η：樁身強度折剪系數(shù)，

取0.2-0.33

α：樁端土承載力折減系數(shù)，取0.4-0.6，上海地區(qū)取0.0要求：按樁身強度確定值不小于按樁周土抗力確定值。上海地區(qū)水泥土強度一般為1-1.2MPa（aw=12%)

2、復(fù)合地基設(shè)計復(fù)合地基承載力特征值：β：樁間土承載力折減系數(shù)。fsk：處理后樁間土承載力特征值。復(fù)合地基置換率m、總樁數(shù)n1：A：地基加固總面積。3、水泥土樁復(fù)合地基沉降驗算式中

s-復(fù)合地基的沉降;s1

-復(fù)合地基加固區(qū)的壓縮量;s2

-地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層的壓縮量。S1計算方法：（1）復(fù)合模量法（2）應(yīng)力修正法（3）樁身壓縮量法S2計算方法：（1）應(yīng)力擴散法（2）等效實體法（3）Mindlin-Geddes法4、復(fù)合地基設(shè)計目標(biāo)：確定攪拌樁配合比、樁長、